Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 7.11. Импульсное колесо с вертикальной осью

Жан Виктор Понселе (1788–1867), французский математик, механик и инженер, придумал способ, который частично компенсировал эту потерю (рис. 7.10). Он построил нечто вроде напорного водопровода, пуская воду по узкому желобу, и ее сила обрушивалась на изогнутые емкости в нижней части колеса. Такие колеса стали популярными во Франции, особенно при небольшой высоте падения воды. Одно из них, построенное в 1849 году в районе Монтсеррат, в Каталонии, имело диаметр 17 футов и ширину 30 футов. Оно поворачивалось под действием падения воды с высоты всего 6½ фута и вырабатывало 180 лошадиных сил. Обычное среднебойное водяное колесо на этом же месте должно было бы иметь втрое большую ширину, чтобы вырабатывать такую же мощность. Тем не менее очевидно, что полные потенциальные возможности водной энергетики были еще далеки от достижения. Понселе продолжал эксперименты. Следующий важный шаг был сделан молодым французом Бенуа Фурнероном (1802–1867).

Идея горизонтального колеса, вращающегося на вертикальной оси, очень стара, его преобразование в турбину является сравнительно новым. На примитивной водяной мельнице в Индии поток направлялся горизонтально, а крылья как будто располагались непосредственно в природном течении. Однако принцип реакции, в отличие от подчинения весу и скорости воды или другого вещества, к примеру пара, появился вместе с реактивной турбиной, которую приписывают Герону. Иллюстрация 1618 года Якоба де Страда показывает, что можно считать импульсной турбиной (рис. 7.11), хотя это едва ли нечто большее, чем горизонтальное колесо. Практическое использование турбин началось примерно в середине XVIII века, когда около 1740 года этот предок реактивной движущей силы появился в форме, очень напоминающей ротационную садовую дождевальную установку. Ее назвали мельницей Баркера (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Мельница Баркера

Устройство доктора Баркера побудило швейцарского математика Леонарда Эйлера и его сына Альберта к началу активных исследований. Альберт оптимистично заявил, что знает, как строить реактивные гидравлические машины, которые наглядно продемонстрируют все, на что способна вода. Он ошибочно заключил, что ширина колеса должна равняться половине высоты столба воды, и вскоре был установлен факт, что вода должна поступать в колесо без каких-либо возмущений и выходить из него, истощив всякую скорость, кроме необходимой, чтобы она могла покинуть колесо. Профессор Клод Бурден (1790–1873), который ввел слово «турбина», произведя его от латинского turbo, что значит «я кручусь», и другие исследователи проводили множество экспериментов, но ни один из них не смог найти практический способ применения их для выполнения полезной работы. Успеха добился ученик Бурдена Фурнерон.

Фурнерон хранил свои эксперименты в тайне, особенно в отношении формы лопастей и способа смазки подшипников своей машины. Он настолько усовершенствовал свою турбину, что вскоре после 1837 года смог использовать высоту напора воды, превышающую 350 футов, направляя ее на колесо через чугунную трубу диаметром 16½ дюйма, при давлении 160 футов на квадратный дюйм. Колесо имело диаметр чуть больше 12 дюймов, весило меньше 40 фунтов и было сделано из бронзы. Оно вырабатывало 60 лошадиных сил с эффективностью более 80 процентов от потенциальной энергии падающей воды. Оно делало 2300 оборотов в минуту. Такая скорость еще ни разу не была достигнута ни в одном из механизмов. Поток двигался от центра ротора, и колесо приводилось в действие реакцией воды, отражающейся от его края. Немецкий инженер, увидевший машину Фурнерона в Санкт-Блазиен, что в Шварцвальде, был потрясен ее работой. Он смотрел на высоту, с которой вода падает на маленькое колесо, и не мог понять, почему оно не разрушается в спиральных массах воды, стекающих с него и грозящих уничтожить окружающие стены. Эти спирали воды, между прочим, теряли большое количество энергии, которая могла бы совершить больше полезной работы. Тем не менее Фурнерон, по мнению Мориса Рюльмана, который видел, как турбина приводит в действие 8000 веретен и все дополнительное оборудование на фабрике, перерабатывающей хлопок, навсегда обессмертил свое имя. Фурнерон сконструировал еще две турбины, которые работали при высоте падения воды всего 16½ фута, и каждая вырабатывала 220 лошадиных сил. Они были поставлены на текстильной фабрике с 3000 веретен и 800 ткацкими станками в Аугсбурге. После этого турбины, хотя они часто отличались друг от друга мелкими деталями, заняли прочное место как источник энергии для промышленности.

Реактивные турбины в то время были производительнее любого водяного колеса, вращающегося на горизонтальной оси. Вертикальная турбина могла работать в полностью погруженном состоянии под любым напором воды от нескольких дюймов до сотен футов. Ее скорость могла существенно варьироваться без заметных изменений в эффективности. Но самое главное, ее мощность поражала. Старые типы водяных колес развивали мощность максимум в сотни лошадиных сил. Усовершенствованные реактивные турбины могли вырабатывать более 50 000 лошадиных сил. Изобретение Фурнерона широко использовалось в Америке в последующие десятилетия и после внесения усовершенствований Джеймсом Фрэнсисом (1815–1892) и другими инженерами оказало выраженный эффект на промышленность страны. Водяные турбины не получили большого развития в Британии, поскольку там прочно закрепились паровые машины, реки были мелководными, а уголь дешевый. Импульсные турбины появились ближе к концу столетия.

Математики и ученые того времени занимались изучением напряжений и созданием сложной теоретической концепции упругости и одновременно развивали знания о прочности материалов, которые инженеры могли применять в повседневной деятельности. Хотя некоторые осуждали зависимость от формул и ссылались на примеры, когда это приводило к катастрофам, большинство сегодняшних инженеров благодарны за труд этим гениальным ученым. Томас Юнг (1773–1839) в 1807 году впервые сформулировал понятие «модуль упругости». Это способность твердого тела упруго деформироваться при приложении к нему силы. По его определению, это усилие в фунтах, которое понадобится, чтобы растянуть балку площадью сечения один квадратный дюйм, чтобы удвоить ее первоначальную длину, если она остается равномерно эластичной во время растяжения. Поскольку практически все материалы достигают предела упругости задолго до того, как их длина удваивается, модуль упругости материала на практике определяется как процент удлинения испытуемого образца под напряжением недостаточно большим, чтобы достичь предела упругости материала. Для конструкционной стали было обнаружено, что модуль упругости составляет более 30 миллионов фунтов на квадратный дюйм.